Carlos Guardiola Septiembre 2012 MEP carga homogénea MEP carga estratificada Fr<<1 MEC convencional DI IDI Fr=1 Fr<1 Fr>1 (MEP) CAI HSDI lento MEC HCCI LTC homogénea ▲ estratificada ▼ Fr=1 Fr<1 encendido provocado ▲ autoencendido ▼ Carlos Guardiola Septiembre 2012
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MEP carga homogénea (MEP) CAI Fr>1 MEC HCCIpersonales.upv.es/carguaga/MCIA/L7.- Combustión en MEP.pdf · Importancia de la combustión sobre el funcionamiento de los MCIA: Rendimiento
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Transcript
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
MEP carga homogénea
MEP carga estratificada
Fr<<1
MEC convencional
DI IDI
Fr=1
Fr<1
Fr>1(MEP) CAI
HSDIlento
MEC HCCI
LTC
homogénea ▲estratificada ▼
Fr=1
Fr<1
ence
ndid
o pr
ovoc
ado ▲
auto
ence
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o ▼
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
0102030405060708090
100
GasolinePFI
stoich
DI SI Gasstratified
lean
GasolineCAI
stoich
GasolineCAIlean
DieselHCCIlean
DieselDI
lean
Rel
ativ
e F
uel C
onsu
mpt
ion
(%)
0102030405060708090
100
GasolinePFI
stoich
DI SI Gasstratified
lean
GasolineCAI
stoich
GasolineCAIlean
DieselHCCIlean
DieselDI
lean
GasolinePFI
stoich
DI SI Gasstratified
lean
GasolineCAI
stoich
GasolineCAIlean
DieselHCCIlean
DieselDI
lean
Rel
ativ
e F
uel C
onsu
mpt
ion
(%)
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
MEP carga homogénea
MEP carga estratificada
Fr<<1
MEC convencional
DI IDI
Fr=1
Fr<1
Fr>1CAI
HSDIlento
MEC HCCI
LTC
homogénea ▲estratificada ▼
Fr=1
Fr<1
ence
ndid
o pr
ovoc
ado ▲
auto
ence
ndid
o ▼
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
CONTENIDO
Introducción. Generalidades de la combustión
Proceso de combustión en MEP. Fases
Factores que afectan a la combustión
Combustión anormal en MEP. Detonación
Combustión con cargas estratificadas y CAI
Resumen
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
L6.- Combustión en MEP Carlos GuardiolaSeptiembre 2012
INTRODUCCIÓN
La combustión de la mezcla en el cilindro es uno de los fenómenos que controlan la potencia, rendimiento y las emisiones del motor
En el caso de los motores MEP convencionales, la combustión comienza tras el aporte de energía externa (e.g. chispa) a una mezcla homogénea
Motor de explosión
terminología incorrecta
Tipos de combustión:
Generalizada (autoencendido o explosión)
Localizada (frente de llama)
Detonación (∆p,∆T)
Deflagración: (∆T)
– Premezclada MEP
– Difusión MEC
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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INTRODUCCIÓN
Importancia de la combustión sobre el funcionamiento de los MCIA:
Rendimiento de la combustión ηi
Velocidad de la combustión ηi
Formación de contaminantes
Combustión anormal
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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INTRODUCCIÓN
Estudio del proceso de combustión (I):
Visualización
Evolución de la pcil
( )p ( ), , ,a res fV m m m( ), ( )T FQL
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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PROCESO DE COMBUSTIÓN EN MEP
Fenomenología del proceso: Mezcla homogénea
Encendido provocado
Propagación del frente de llama
Velocidad de combustión
Tiempo de combustión
Combustible MEP: Elevada volatilidad: debe permitir la formación de una mezcla homogénea
Resistencia a la autoinflamación: elevado número de octano (NO)
Gasolina, GLP, GN, etanol, metanol
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
Combustión subsónica –deflagración
Combustión turbulenta
Dispersión cíclica
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VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA
Frente de llama:
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA
Frente de llama:
Velocidad de combustión laminar
Hipótesis
•VCL = 80 cm/s
•Duración comb. 120º cig.
•Radio cámara: 40 mm.
nmáx = 400 r.p.m.
La velocidad de avance del frente de llama no se justifica por un proceso de combustión laminar
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA
Frente de llama:
bomba a volumen constante
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA
Combustión turbulenta:
Turbulencias en el campo de velocidad (micro y macro)
Plegamiento en el frente de llama gran superficie
Velocidad de combustión turbulenta: 20T
L
u
u
La turbulencia aumenta con n
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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VELOCIDAD FRENTE DE LLAMA
Avance del frente de llama:
Expansión de los gases quemados (ua)
Velocidad de la combustión (uC) Laminar o turbulenta
f C au u u
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA
Si consideramos el proceso de combustión en un MEP:
V=V()
Avance del frente de llama liberación de calor
La variación de la presión en cámara es consecuencia de ambos efectos
p=p()
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA
Fases de la combustión –Encendido: chispa eléctrica.
–Fase inicial (1): desde el salto de la chispa hasta que la presión supera la correspondiente a la compresión. Combustión laminar.
–Fase principal (2): finaliza cuando se alcanza la presión máxima. Es turbulenta, en ella se quema la mayor parte de la mezcla.
–Fase final o residual (3): Es laminar y es difícil precisar dónde termina. En ella se quema la mezcla cercana a las paredes.
–Extinción
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA
Fases de la combustión
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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EVOLUCIÓN DE LA PRESIÓN EN CÁMARA
Parámetros significativos
Ángulo/tiempo de combustión αC,tC Ángulo/tiempo de retraso α1,t1 Velocidad media de combustión uC
Gradiente de presión dp/dα,dp/dt
Presión máxima pmax
2
60m
CC C
cn L L
u S u
C
C
Lt
u
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
Factores de diseño:
Cámara de combustión
Posición de las bujías
Factores de funcionamiento:
Régimen de giro del motor
Grado de admisión
Dosado
EGR
Punto de encendido
Existen variaciones locales en los niveles de turbulencia, dosado, EGR, etc. dispersión cíclica
presión en cámara en varios ciclos consecutivos en un MEP-2T de competición
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Cámara de combustión
Debe favorecer la turbulencia y ser de pequeñas dimensiones para que c sea pequeño
– De cuña: concentra la mayor parte de la
mezcla cerca de la bujía. “End-gas”
pequeño.
– Hemiesférica: el recorrido de frente de
llama es pequeño y simétrico. Muy
compacta.
– Labrada en pistón: es compacta y de alta
turbulencia.
– Labrada en la culata: es compacta, pero
concentra mayor masa en “end gas”.
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Generación de turbulencia en pipas y cámara
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
Tumble
Squish
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Posición de las bujías
Centrada para minimizar el recorrido del frente de llama
Situada en zona de alta turbulencia para disminuir la primera fase de la combustión
Situada en la zona más caliente
Posibilidad de utilizar varias bujías, o varias chispas por bujía
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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Posición de las bujías
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Régimen de giro del motor
Al aumentar el régimen de giro aumenta ligeramente el ángulo de combustión
Según lo visto anteriormente el aumento debería ser lineal:
La velocidad de combustión uC aumenta de una forma casi lineal con n debido a un aumento en la turbulencia
Esto permite el alto régimen de giro de los MEP
2
60m
CC C
cn L L
u S u
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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Grado de admisión/rendimiento volumétrico
Grado de carga afecta al rendimiento volumétrico
Al bajar la carga aumentan residuales y disminuye la densidad en cámara disminuye la velocidad de la combustión
Además, al bajar la carga, disminuyen intensidad y escala de la turbulencia
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Efecto del dosado
El uso de mezclas pobres (Fr<1) permite aumentar el rendimiento al disminuir la necesidad de estrangulamiento
9 10 11 12p.m.e. [bar]
280
300
320
340
g ef [
g/k
Wh
]
FR lim
FR
FR = 1
FR N
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Efecto del dosado
Fr [-]
grad
o de
adm
isió
n [%
]
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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En los motores modernos existen varias opciones en el diseño del mapa de dosado:
Fr = 1 catalizador 3v
Fr>1 a alta carga
prestaciones
Fr < 1 a baja carga
consumo
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
la decisión afecta al sistema de post-tratamiento aplicable
Ejemplo:
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Efecto del EGR: Diluye la mezcla menor estrangulamiento necesario
Puede aplicarse a mezclas pobres, pero también a Fr=1
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Punto de encendido:
Es el parámetro de control que
permite centrar la combustión
Al adelantar el encendido se quema más mezcla en la carrera de compresión, con lo que aumenta la presión máxima
Al aumentar el avance se incrementa el riesgo de combustión detonante
El punto de encendido se adapta al punto de operación (régimen y carga)
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
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FACTORESCOMBUSTIÓN
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MEP ESTRAT. y CAI
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Efecto del avance de encendido:
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
8
10
12
14
16
18
p.m
.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
8
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14
16
18
p.m
.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
8
10
12
14
16
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p.m
.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
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p.m
.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
8
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12
14
16
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p.m
.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
40
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120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
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10
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14
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.i.
[bar
]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
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Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
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0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
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n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
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0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
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Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
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]
0 100 200 300 400 500 600Volumen [cm3]
0
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80
120
Pre
sió
n [
ba
r]
-60 -40 -20 0 20 40Avance [ºcig]
8
10
12
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16
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p.m
.i.
[bar
]
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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Mapa de avance de encendido:
FACTORES QUE AFECTAN A LA COMBUSTIÓN
INTRODUCCIÓNCOMBUSTIÓN MEP HOMOG.
FACTORESCOMBUSTIÓN
ANORMALR
MEP ESTRAT. y CAI
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